基于BP神经网络的热导气体分析仪

　　0　引言

　　热导气体分析仪受外界环境温度的影响很明显[1]。目前,利用热导原理设计的气体分析仪表的热导测量的探头需要加热恒温控制,建这一环境需要时间长,功耗大,反应速度慢,因此无法进行实时监测和移动便携测量。将影响热导传感器测量的主要因素分别提取,然后利用神经网络将这些因素与热导传感器的原始测量值拟合,可以消除外界环境(温度、气压)对传感器测量的影响。

　　1　设计原理

　　1 .1　工作原理

　　利用各种气体不同的热导系数,即具有不同的热传导速率来进行测量。当被测气体以恒定的流速流入分析仪器时,热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的体积分数变化而变化,运用惠斯登电桥将阻值信号转换成电信号,通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化,使其成为测量值。设测量值为p₁,环境温度的测量值为p₂,气体压力传感器测量值为p₃,仪表设计框图如图1所示。

　　1. 2　传感器电路设计

　　基于神经网络的传感器主要考虑对热导传感器信号与外界环境温度与气压信号的拟合。气体分析仪的芯片选用MSP430149。由于对测量环境温度要求不高,为了简化传感器电路设计,采用DS18B20测量环境温度,采用具有4~20 mA的气体压力变送器测量气压。热导传感器和气体压力变送器将测量值以电压的形式输入单片机的A/D口,经模数转换为原始测量值。DS18B20将环境温度测量值通过单线传入单片机I/O口。在单片机内部对3个信号进行神经网络拟合,然后将拟合结果通过换算由显示屏显示出来。气体分析仪电路图如图2所示。

　　2　神经网络模块的设计

　　2. 1　建立样本库

　　通过试验设定不同的环境温度,调配不同体积分数的气体,通入传感器,记录热导传感器的测量电压值。选择了7个环境温度值(-30、-20、-10、0、10、20、30℃),选择了3个气压值(0 .98、1. 0、1 .2 Pa)。试验数据如表1所示(只列出气压为1. 0Pa时的测量值)。设调配气体所含氢气的体积分数为R,热导传感器测量电压为V.

　　2. 2　对样本归一化处理

　　利用式(1)、式(2)对表1的试验数据进行归一化处理,建立标准的神经网络样本库,如表2所示。

　　式中:Vk_min、Vk_max为第k个传感器输出的最小值和最大值;V_ik、R_k为第i个样本神经网络输入、输出归一化值;为第i个样本第k个传感器的输入输出标定值.